Происхождение всего. От Большого взрыва до человеческой цивилизации - Дэвид Берковичи

В то же время объекты среднего размера, от нескольких сантиметров до метра в диаметре, подвергнутся сильному встречному сопротивлению газа, которое заставит их быстро закручиваться по спирали и сгинуть в Протосолнце всего через 200 лет – мгновение по космическим меркам! Вдобавок эти куски будут недостаточно тяжелыми, чтобы притягивать друг друга, наоборот, они будут взаимно отталкиваться.

Образовавшиеся из крошечных пылинок планеты должны нарастить массу и вырасти с нескольких сантиметров до метра (а из‑за своего размера они не очень‑то хорошо схватывались друг с другом), чтобы не улететь по спирали прямо в Протосолнце. И дорасти до метрового размера планеты должны невероятно быстро – за несколько сотен лет, в противном случае они сгинут. Этот парадокс, называемый барьером одного метра, также пока не разрешен. Однако новые исследования показывают, что давление растущих комков пыли на газ заставляет их сбиваться в кластеры – сплотившись в кучи большей массы, они защищают друг друга от встречного сопротивления газа, прямо как велосипедисты на «Тур де Франс».

В то время как накапливались первые комочки пыли, коллапсирующая масса в центре облака нагревалась, становясь звездой. Еще до начала термоядерных реакций эта масса уже была достаточно горячей, чтобы нагреть внутреннюю часть газового диска. Комочки пыли, собравшиеся в более горячем внутреннем диске, представляли собой в основном минеральные соединения, в конечном счете из них образовались камни. Во внешних частях будущей Солнечной системы было достаточно прохладно, там могли скапливаться льды и жидкости, такие как вода, метан и аммоний. Граница между двумя этими областями называется снеговой линией, она проходит недалеко от орбиты Юпитера – между орбитами Марса и Юпитера.

Из‑за давления газа на мелкие частицы, о котором говорилось выше, крупицы и кусочки льда, стремящиеся по спирали к центру облака, испарились бы при пересечении снеговой линии, и высвобождение газа привело бы к появлению зон с относительно высоким давлением. Газ в диске за пределами зон высокого давления испытывал бы воздействие силы, направленной наружу, что способствовало бы дальнейшему ослаблению гравитации, заставляя газ двигаться по орбите Протосолнца еще медленнее. Это вызвало бы еще большее встречное сопротивление и давление на летящие быстрее твердые частички, что ускорило бы их движение по спирали в снеговую линию. Газ в пределах снеговой линии и зон высокого давления вызвал бы дополнительное давление, направленное внутрь, по направлению к Протосолнцу, что усилило бы гравитационное притяжение, заставляя газ вращаться быстрее, чем твердые частицы, уже не оказывая им сопротивления, а создавая «попутный ветер». Частицы могли подняться на более высокую орбиту и выйти по спирали в обратную сторону. По существу, частицы будут втягиваться в обладающую высоким давлением снеговую линию с обеих сторон, и она будет действовать как ловушка для крупиц льда. (Весьма неожиданный эффект, ведь жидкости обычно устремляются к зонам низкого давления, достаточно вспомнить обычный слив. Но взаимодействие газа и частиц во вращающемся диске гораздо сложнее, чем поток воды, стекающей из ванны.)

Скопление газа и льда в снеговой линии, возможно, создало благоприятную почву для формирования планеты‑гиганта – Юпитера. По массе – и орбитальной энергии или моменту импульса – это самый крупный планетный объект Солнечной системы. Если не принимать во внимание тот факт, что на Земле живем мы, то основная часть содержимого Солнечной системы, в терминах массы, энергии и момента импульса, приходится на счет Солнца и Юпитера. Но это лишь показывает, что размер не всегда имеет значение (по крайней мере, мы, земляне, так бы и сказали).

Как только Юпитер начал формироваться, это ускорило рост ближайших газовых гигантов, например Сатурна. В частности, гравитационное притяжение Юпитера ускоряло бы медленное вращение масс за пределами его орбиты, заставляя их уходить по спирали во внешнее пространство. Частицы пыли и льда, закручивающиеся по спирали по направлению к Юпитеру с еще более высоких орбит, слились бы с этим уходящим потоком, что привело бы к накоплению массы и образованию фидерной зоны для другой гигантской планеты, например Сатурна.

Первые протопланеты, формировавшиеся из частиц пыли, должны были поторапливаться и расти очень быстро. Словно мало было таких помех на пути их развития, как уменьшение момента импульса и преодоление барьера одного метра, – им еще приходилось постоянно соревноваться в скорости с Солнцем. Пока комочки пыли соединялись в большие куски, растущая протозвезда поглощала массу диска и была готова положить начало термоядерным реакциям и зажечься. Непосредственно перед тем как зажечься, протозвезда нагревала внутренние части Солнечной системы и выбрасывала газ, создавая сильный солнечный ветер. Он выдувал из облака остатки пыли и газа, которые не успели присоединиться к относительно массивным телам. Потеря газа и интенсивный солнечный ветер длились несколько десятков миллионов лет после начала коллапса протосолнечного облака в диск, это очень мало по геологическим и космологическим меркам. Это значит, что протопланетам, особенно гигантским планетам с их массивной газовой оболочкой, следовало очень поспешить и успеть сформироваться до того, как их элементы будут поглощены или унесены прочь. Вырастить из этих комочков пыли планетезималь, а потом и планету – задача чрезвычайно трудная, но у Солнечной системы это получилось, хотя ученые до сих пор не могут понять, как ей это удалось. И это еще одна из многих не дающих покоя загадок формирования Солнечной системы.

Каменные протопланеты, которым удалось уцелеть и сформироваться в более горячей внутренней части Солнечной системы, были сначала, вероятно, размером с крупные астероиды. Некоторые из этих небесных тел были достаточно большими, чтобы нагреваться и плавиться; бóльшая часть этого тепла происходила от столкновений, а остальная – от интенсивного нагрева от короткоживущих радиоактивных элементов, например нестабильных изотопов алюминия и калия. Если камень расплавляется и начинает снова застывать, концентрация железа в остаточной магме (расплавленной породе) становится невероятно высокой, поскольку железо легче растворяется в сплавах. Этот затвердевший сплав столь богат железом, что становится тяжелее окружающих его каменных пород, и проваливается к центру этих небесных тел (если, конечно, они достаточно велики, чтобы иметь значительную гравитацию), образуя железное ядро. Такие крупные астероиды, как Веста и Церера, также имеют железное ядро. (Метеориты, которые достигают Земли и содержат чистое железо – их вполне логично называют железными и железокаменными метеоритами, – предположительно, являются остатками тех ядер, которые были выброшены после разрушения астероида в столкновениях.) Многие из астероидов были слишком малы, чтобы это произошло, потому они остались нерасплавленными и примерно в том же составе, в каком изначально сформировались. Большинство таких метеоритов называются хондритами, и они, возможно, представляют собой строительные блоки Солнечной системы. Многие метеориты, достигающие Земли, также относятся к классу хондритов.

Эти ранние планетезимали быстро перемещались по Солнечной системе по различным эллиптическим и случайным орбитам, и лишь те, чьи орбиты были более‑менее круглыми, смогли выжить. Небесные тела, летящие по одной круговой орбите или близко к ней, двигались более медленно по отношению друг к другу, и потому их столкновения были «мягкими», они смогли соединиться, не разрушив друг друга. Спустя десятки миллионов лет эти небесные тела стали намного больше и уже не разрушались и не теряли свои части при столкновениях (из‑за возросшей собственной гравитации) с объектами астероидных размеров; и, таким образом, они стали еще больше, превращаясь в конце концов в планеты земной группы, которые существуют сейчас в Солнечной системе.